频谱分析仪测量基础

无线通讯频率涵盖范围相当广，而频谱分析仪其可设定的选项相当多，可说是无线通讯量测必备的基础仪器。

一般来说，无线通讯频率涵盖范围可从500KHz~300GHz，在如此宽广的频谱中，不同的应用占用不同的频率(频道)范围，而基本的量测项目不外乎频率及功率两项;因为频率值的准确度不足，会与其它频道的使用者互相干扰，而功率不足会造成断讯，功率太强亦会造成干扰。

若依功能来区分，我们可得下列等式：频谱分析仪＝计频器＋功率计。因计频器只能量测讯号的频率，而功率计只能量测讯号的功率；若要两者同时得到，则非频谱分析仪不可。

频谱分析之步骤

由傅利叶(Fourier)级数得知，凡是周期性的讯号均可用倍频的正弦波来表示，因此示波器上所显示的是随时间变化之信号振幅，而在频谱分析仪上则以它的各个倍频谐波来表现，由此可得知它的频率成分。

(一)频谱分析仪内部方块图：

频谱分析仪的主要架构是超外差接收机，利用一个可扫频的本地振荡信号，透过混波器，与所欲观测的射频(RF)信号产生差频(中频)信号，再由后级的电路处理，最后呈现在屏幕上(参看图一)。

(二)输入衰减器：

因为混波器的RF输入最大线性范围有限(例如-5dBm)，这对一般量测是不够用的，因此必须将过大的信号预先衰减到混波器的RF输入线性范围，经混波器之后，再利用放大器将之还原。如图二所示，此种架构会造成频谱分析仪上之显示噪声位准随衰减器的值而起伏。这是由于输入衰减器只能衰减RF输入信号，而噪声是无所不在的，并不能被衰减，却被在混波器之后的放大器所放大，因此产生了衰减愈大则噪声位准愈高的矛盾现象。

(三)混波器：

RF信号与本地振荡信号经过混波器之后，会产生许多两者之间频率倍数相加减的信号成份，其中主要成分有四个：

■ RF频率。

■ 本地振荡频率。

■ RF频率与本地振荡频率相减的信号。

■ RF频率与本地振荡频率相加的信号。

对线路设计而言，频率愈低是愈好处理。因此，RF频率与本地振荡频率相减的信号是必然之选择，称为中频(IF)信号。

(四)本地振荡器：

通常是由Ramp电路产生电流，控制YIG产生低频到高频的连续变化信号，同时也产生配合CRT的水平偏向电压，做由左向右的水平扫描(参看图三)。

(五)解析频宽(RBW)滤波器：

RBW滤波器也称中频滤波器，它的作用是将中频(IF)信号由混波器产生的众多频率中过滤出来。使用者可藉由频谱分析仪面板上的RBW控制钮，选择不同的3dB频宽之RBW滤波器，RBW设得愈窄则观察到的频率分布愈细微，也降底了噪声位准。

(六)对数(Log)放大器：

由于频谱分析仪主要功能是量测信号的各个频率成份，它们往往彼此相差百倍以上，如果像示波器一样采用线性的垂直刻度，则比较弱的信号势必无法显现。因此频谱分析仪采用对数放大器，将中频信号做非线性放大，以济弱抑强的方式，让各个频率均能完整地呈现。

(七)检波器(Detector)：

如果直接将中频信号输出到屏幕上则会造成一团混乱，因此必须经过检波器，将中频的交流(AC)信号振幅转换为直流(DC)偏压，输出到屏幕形成相对的垂直偏向，以呈现各个频率的大小。现行的频谱分析仪大多以数字取样方式将波形呈现在屏幕上，由于在取样的过程中，各取样点间的信号变化会有遗漏之虞，因此有四种模式供使用者选择：

■ Sample。

■ Positive Peak。

■ Negative Peak。

■ Normal。

(八)视讯频宽(Video Bandwidth;VBW)：

代表中频振幅的直流偏压送至屏幕之前，还有视讯滤波器这一关，它是一个低通滤波器，可将屏幕的垂直偏压变化，变得较为平缓。举例来说，一个接近噪声位准的微弱信号，可利用较低频的视讯频宽，达到将微弱信号鉴别出来之目的。

频谱分析仪之应用

(一) 载波噪声比(C/N)：

它的定义是某一频道载波信号之功率大小，以及关闭载波后相同频道内所有噪声的比值。由于量测时会切断通讯，这对用户及系统提供者均会造成不便，因此有些通讯法规，如有线电视(CATV)就定义了不影响收视的另类量法。频谱分析仪会提供一个光标量测载波信号的大小，另外有一个区域光标可量测频道间护卫频段(Guard Band)的噪声功率值，以上两者比值就是另一种C/N值的表示。

(二)相位噪声(Phase Noise)：

一个理想的正弦波连续信号，在频谱上可以一条垂直线来代表；换句话说，只有在此一频率上才有信号的功率值，它的左右就完全没有功率。但在真实的世界中，是不可能有如此完美的信号存在；一个正弦波连续信号，除了本身频率之外，还会有残存的功率在其附近，这称为相位噪声，其量测方式是用专门的相位噪声仪，以1Hz频宽的带通滤波器，于待测信号的左右(例如：±1KHz、±10KHz、±100KHz)做频率扫描，得出相对频率的相位噪声值。

此种相位噪声仪，其价格高达频谱分析仪的数倍，对一般使用者而言并不划算，若不求高精确度，可利用频谱分析仪选择最低的RBW(例如：1KHz)，直接量测主频率与其左右差频的相对dB值，再推估RBW=1Hz时的相位噪声值。

(三)频道功率(Channel Power)与噪声功率(Noise Power)：

这两者的差异在于，频道功率是以带通滤波器的3dB频宽，计算其中的总功率值；而噪声功率是以理想的矩形带通滤波器，来计算其中的噪声功率值。对于频宽大于带通滤波器的3dB频宽信号(例如噪声)而言，用矩形带通滤波器会比用现实世界的3dB频宽带通滤波器，所得到的功率值要多2.5dB。

(四)相邻频道功率比(Adjacent Channel Power Ratio;ACPR)：

为达频谱资源的有效利用，个人行动通讯系统(如CDMA、GSM、PHS)对于每一频道间的相互干扰均有规范，其中相邻频道功率比便是相当重要的一项。有些频谱分析仪具有测试相邻频道功率比的功能。现以W-CDMA为例说明如下：

■根据规范，设定中心频率及扫描频宽将待测频道持续扫描出来。

■RBW设为待测频道频宽的十分之一以下(如30KHz)。

■设定相邻及交互频道的差频(Adj Ch=5MHz；Alt Ch=10MHz)。

■设定待测频道相邻及交互频道的宽带(3.84MHz)。

■执行量测。

频谱分析仪是量测通讯系统必备的基础仪器，其设定选项繁多(如RBW、VBW、Attenuator等)，而不同的设定会得到不同结果，只要根据待测系统的测试规范来设定，各类型频谱分析仪之间的量测结果应会有其一致性。

关永宏
安立知股份有限公司